HATs與HDACs在肺癌上皮細胞間質轉化中作用機制及其應用的研究進展

常銳 尤嘉琮 綜述 周清華 審校

組蛋白乙酰轉移酶（histone acetyltransferases, HATs）是一類參與基因表達調控的重要蛋白質家族，其催化底物蛋白質的乙酰化修飾過程。組蛋白和非組蛋白都可作為HATs的底物，其中組蛋白的乙酰化有利于打開致密的核小體結構，活化基因轉錄的起始。與此相反，組蛋白去乙酰化酶（histone deacetyltransferases, HDACs）催化相反過程，從而使靶基因沉默。在細胞中，HATs和HDACs調控組蛋白的乙酰化水平，使得靶基因的水平保持在動態平衡中。可乙酰化的非組蛋白包括轉錄因子、細胞骨架和信號通路蛋白等，它們乙酰化后的功能也是多樣的，如轉錄激活、亞細胞定位、微管調控和細胞周期調控等。這些HATs的底物蛋白共同組成了體內的乙酰化蛋白網絡，對于細胞正常的生長發育、維持內環境穩態十分重要。某些重要信號途徑中的HATs或HDACs產生突變，將很可能導致疾病發生乃至癌變。

上皮細胞間質化（epithelial-mesenchymal transition,EMT）是上皮細胞在外界刺激或病理條件下，細胞之間的連接弱化并失去極性，進而具有間質細胞特征形態的過程。因此EMT在腫瘤上皮細胞轉化為間質細胞的過程中發揮功能，參與腫瘤的侵潤與遷徙。研究發現，細胞內某些轉錄因子參與調控EMT過程，包括Snail、Slug、Twist、ZEB1/2等蛋白。Snail、Slug和ZEB通過直接抑制E-cadherin啟動子活性來促進EMT過程，Twist等其它因子則間接抑制E-cadherin轉錄，說明這些轉錄因子在EMT的調控中行使重要功能。

近年來，有關HATs和HDACs家族蛋白參與肺癌EMT過程的報道逐漸增多。一類關注于p300、PCAF等HATs與EMT轉錄因子的相互作用及其對間質化過程的影響。某些EMT轉錄因子和HATs具有蛋白質相互作用，甚至作為底物被乙酰化修飾，初步闡明了HATs家族蛋白參與腫瘤EMT過程的調控機制。另一類則研究HDACs參與肺癌EMT的作用機理，包括肺癌組織中HDACs表達的相關性研究，以及HDACs與EMT轉錄因子相互作用抑制E-cadherin表達水平的機制等。還有報道通過HDACs的抑制劑（HDAC inhibitor, HDACi）處理細胞，發現多種肺癌細胞中的HDACs被抑制后，E-cadherin表達上調，EMT轉錄因子被抑制，進而使EMT過程受阻，表明這一類藥物具有影響EMT和臨床治療的潛在應用價值。據此，本文分別從HATs、HDACs參與肺癌EMT的作用機制，以及HDACi在肺癌治療中的潛在應用等方面進行論述，以期探討HATs和HDACs調控肺癌EMT的分子機制和應用前景。

1 HATs參與肺癌EMT的作用機制

1.1 p300與肺癌EMT及其轉錄因子 近年來，關于HATs家族蛋白尤其是p300和EMT關聯性的研究逐漸增多[1,2]。作為細胞內重要的HATs之一，p300參與多種腫瘤發生與進展過程，其突變或失調導致多種疾病，許多癌基因的表達也受到p300調控。

關于肺癌中p300參與EMT的分子作用機制，目前已有初步了解。臺灣一個研究小組[3]的結果表明，肺癌遷徙中Runx2的水平上調有利于募集p300并促進Snail轉錄，進一步實驗發現其機制是Runx2通過募集p300增強組蛋白乙酰化，繼而使Snail表達上調，說明p300可能在Snail誘導的EMT中發揮重要功能。還有研究[4]基于p300和I型絲氨酸/蘇氨酸激酶受體（serine/threonine kinase receptors I, TβR I）在細胞核中共定位的結果，發現p300和TβR I相互作用并激活Snail轉錄，促進腫瘤細胞的侵襲。此外，另一EMT轉錄因子Twist也證實與p300有相互作用，而且Twist與p300的HAT結構域直接結合，干擾其乙酰化組蛋白，體外乙酰化實驗亦證明這一結果。在腫瘤細胞中Twist可能通過抑制p300對組蛋白的乙酰化修飾，促進上皮細胞的間質化過程[5]。Postigo等[6]發現ZEB1可能募集p300并促進轉錄激活，使得ZEB1活性升高，從而有利于EMT過程。生物信息學分析顯示E-cadherin啟動子含有潛在的p300結合位點，Liu等[7]通過染色質免疫共沉淀實驗，得到的研究結果確證了這一設想。即在p300與E-cadherin啟動子結合的模型中，p300可能募集其它轉錄因子，共同促進E-cadherin的表達水平。

1.2 PCAF與肺癌EMT及其轉錄因子 p300/CBP結合蛋白相關因子（p300/CBP-bingding protein-associated factor,PCAF）是另一種在人類和其它真核生物中保守存在的組蛋白乙酰轉移酶，同樣具有乙酰化組蛋白的活性，行使轉錄輔激活因子功能。Shiota等[8]對PCAF和Twist的相互作用進行研究，發現PCAF可乙酰化Twist，其底物Lys分別位于第73、76和77位。乙酰化促進Twist進入細胞核并促進其轉錄水平，進而細胞的侵襲能力增強，有利于EMT的發生。如將Twist的乙酰化Lys突變，使其無法被PCAF乙酰化，則阻礙Twist進入細胞核，說明Twist的乙酰化修飾對其發揮促EMT功能是重要的。如敲除PCAF，同樣觀察到腫瘤生長和侵襲受抑制。Hamamori的小組[5]證實了Twist同樣抑制PCAF乙酰化組蛋白，這種現象基于Twist的N端和PCAF的HAT結構域/溴區之間的相互作用，因為N端缺失的Twist不能抑制PCAF的乙酰化功能。還有證據表明PCAF參與ZEB1調控miR-200水平的模型：一般情況下，ZEB1抑制miR-200c/141轉錄，而PCAF和p300可與ZEB1在miR-200c/141啟動子處組裝成復合物，同時PCAF乙酰化ZEB1，使ZEB1由抑制物轉變為激活因子，促進miR-200c/141轉錄上調。這些結果說明ZEB1的活性是受乙酰化調節的，暗示在腫瘤細胞中EMT轉錄因子功能受翻譯后修飾調控可能具有一定普遍意義[9]。

1.3 其它HATs與EMT及其轉錄因子 CBP與p300在結構和功能上有較高的同源性，在體內促進CREB介導的轉錄。在果蠅的胚胎發育中，發現果蠅CBP可結合于Twist啟動子并激活Twist表達，與此相反，CBP突變體無法正常誘導Twist表達，進而影響果蠅的胚胎發育[10]。Hlubek等[11]通過酵母雙雜交實驗證實，組蛋白乙酰轉移酶Tip60與ZEB蛋白有相互作用，它們可能形成復合物，共同起阻遏作用。如將Tip60敲除，可使組蛋白乙酰化減弱，并增強細胞對順鉑的敏感性[12]。雖然這些結果與肺癌細胞EMT并非直接關聯，但對于在肺癌中開展類似研究具有一定參考價值。

2 HDACs參與肺癌EMT的作用機制

隨著對HATs在肺癌EMT中作用機制的深入研究，關于HDACs與肺癌EMT關系的研究也為人們所關注。Han等[13]通過免疫組化和RT-PCR對非小細胞肺癌（non-small cell lung cancer, NSCLC）組織中的HDAC1和HDAC2的表達水平進行研究，發現與正常肺組織相比，NSCLC組織中HDAC1和HDAC2的表達具有更高的相關性，與分化程度和TNM分期也有一定關聯。這一結果表明對于肺癌細胞的生長和分化，HDACs同樣發揮重要作用。

有關HDACs在肺癌及腫瘤EMT中的作用機制，以E-cadherin表達受HDACs抑制的分子機理研究較為清楚。Peinado等[14]發現Snail與HDAC1和HDAC2有相互作用，而且Snail可募集它們結合E-cadherin啟動子，組成抑制復合物，從而使組蛋白H3和H4去乙酰化，抑制E-cadherin的轉錄起始，最終有利于EMT過程。與此同時，有研究小組同樣觀察到HDAC1的過表達導致E-cadherin啟動子的活性減弱，轉染HDAC1的shRNA可有效抑制腫瘤細胞的轉移，進一步證實了HDAC1與侵襲性有關[15]。Tang等[16]的研究發現高熱量飲食導致的E-cadherin降解和EMT過程中，HDAC表達水平也呈現上升趨勢，暗示其在間質化過程中具有一定普遍性。Snail自身的轉錄也受HDAC1抑制，但p68的磷酸化使HDAC1從Snail啟動子上解離，Snail水平隨即上調，E-cadherin表達受阻而導致EMT發生[17]。此外，一項在肺癌細胞HCC95中的研究[18]表明，細胞中HDACs的水平上升可能源于miR-449a/b的調節，從另一角度說明肺癌細胞中HDACs的調控可能是一個多層次、復雜的過程。

綜上所述，HDACs在肺癌與腫瘤EMT中，其表達水平與正常組織有差異。從分子機制來看，它可與EMT轉錄因子相互作用并直接影響靶基因表達水平，以達到沉默上皮細胞基因的目的，導致間質化過程的發生。HDACs也可能通過其它途徑影響肺癌細胞的生長分化。因此，HDACs具有作為抑制肺癌EMT與臨床治療靶點的潛在意義，其應用前景值得深入探討。

3 HDACi在肺癌治療中具有潛在應用價值

如前文所述，HDACs在抑制肺癌E-cadherin表達水平和促進EMT過程中具有關鍵作用。據此，將其作為治療靶點，用藥物處理以期干擾HDACs行使功能，不失為阻止肺癌細胞EMT和細胞遷徙、轉移，并應用于肺癌治療的有效途徑。目前，已有HDAC抑制劑應用于肺癌細胞，促進E-cadherin表達回復的報道，為進一步將其研發為藥物奠定了基礎。Kakihana等[19]用多種HDACi處理NSCLC細胞系并檢測細胞中EMT標志物的表達水平，他們的結果表明MS-275上調E-cadherin的效果最為明顯，且誘導細胞凋亡和抑制NSCLC細胞生長。另一項對長期吸煙影響EMT的研究[20]中，研究者發現MS-275抑制煙草濃縮物處理的A549細胞的遷徙與侵潤，E-cadherin也有所上調。Mateen等[21]用TSA與silibinin處理H1299細胞，觀察到細胞中E-cadherin水平明顯回復，腫瘤細胞的侵潤和遷徙能力也得到明顯抑制。與此同時，ZEB1的表達亦受影響而下調，說明TSA與silibinin具有協同抑制肺癌細胞EMT的作用。

鑒于HDACi本身具有促進組蛋白或底物蛋白乙酰化的功能，所以此類藥物在實際應用中，也可能經由這一途徑實現抑制肺癌細胞的效應。Singh等[22]用Magnolia grandiflora中提取的honokiol處理A549、H460等NSCLC細胞，發現它具有抑制HDAC活性的功能并促進組蛋白乙酰化，繼而NSCLC的細胞活性明顯降低。通過口服honokiol，接種于裸鼠皮下的A549和H1299細胞生長也受到明顯抑制。在NSCLC中silibinin可通過抑制HDAC上調組蛋白H3和H4的乙酰化水平，與TSA共處理則導致G2/M阻滯和細胞凋亡，并抑制異種移植腫瘤的生長，表明HDACi與silibinin聯用應該是一種安全有效的治療NSCLC生長的用藥方式[23]。

另一方面，用HDACi與其它藥物共處理肺癌細胞，被認為可進一步發揮兩種藥物的協同抑制作用，因而是HDACi應用于肺癌治療的又一有效途徑。在一篇最新報道中，研究人員用一種新的HDACi-PTACH與17-DMAG（分子伴侶Hsp90的抑制劑）共同處理A549、H460和H1299細胞，獲得了比單藥物處理更好的對腫瘤細胞遷徙的抑制效果[24]。Zhang等[25]觀察到在培養的A549細胞中，經TSA與化療藥物docetaxel或erlotinib共處理，可上調α-tubulin的乙酰化水平、誘導細胞凋亡并抑制腫瘤細胞的增殖，因此他們認為HDACi與化療藥物聯用具有協同抑制肺癌細胞的功能。鑒于DNA甲基化在腫瘤轉移中的重要功能，將VPA和decitabine（一種DNA甲基轉移酶抑制劑）共處理U1906和H2171細胞，發現caspase-8在mRNA和蛋白水平均上調，并使得這些小細胞肺癌細胞對腫瘤壞死因子相關的凋亡誘導配體（tumor necrosis factorrelated apoptosis-inducing ligand, TせIL）治療變得敏感，因而具有潛在臨床價值[26]。

綜合這些結果，可知HDACi具有抑制肺癌細胞EMT的功能。它也可通過促進組蛋白乙酰化，以及與其它藥物共同使用來影響多種肺癌細胞的生長，所以在肺癌臨床治療中具有較好的潛在應用前景。如對HDACi與其它藥物聯用的領域繼續深入研究，將使肺癌的治療更加游刃有余。

4 問題與展望

肺癌作為危害我國人民健康與生命的重大疾病之一，長期以來都是研究的熱點領域。轉移是導致肺癌難以治愈和死亡的重要因素，它是一個復雜、多層次和多階段的病理過程，涉及抑癌基因突變、腫瘤相關蛋白表達水平改變、信號通路的活化等方面。其中，EMT過程是肺癌轉移的重要步驟，參與此過程的轉錄因子（如Snail和Twist）在調控此過程中起到關鍵作用。從功能上，已知EMT轉錄因子抑制E-cadherin等蛋白的表達水平，但其在肺癌中的詳細作用機制尚不清楚。HATs和HDACs作為基因表達水平的重要調節因子，控制著機體內環境的動態平衡。近年的研究發現它們同樣參與上皮細胞的間質化進程，可與某些EMT轉錄因子相互作用并使其乙酰化。而且，這一研究方向在其它類型的癌癥中同樣有所報道[27-31]，說明此領域有可能成為闡明EMT和腫瘤轉移分子機制的新突破點。鑒于HDACs具有促進EMT的功能，使用TSA等HDACi抑制其表達水平，已被諸多研究[7,29,32]證實可有效抑制多種腫瘤細胞的EMT過程。與其它藥物聯用以強化對腫瘤細胞的抑制作用，是HDACi應用于肺癌治療的新興領域。因此，篩選具有較好抑制效果、副作用少的HDACs抑制劑，利于為研發治療肺癌或其它癌癥轉移的藥物開拓新的方向。綜上所述，對HATs和HDACs在肺癌細胞EMT中作用機制的研究，有助于豐富肺癌轉移的分子生物學基礎研究，而HDACi對于EMT過程的有效抑制，更預示著其在肺癌臨床治療中具有重要的潛在應用價值。